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胸腰椎骨折去除内固定后“蛋壳样椎体”与椎体矫正度丢失关系的有限元分析

姜猛  
【摘要】:目的:通过有限元方法分析胸腰椎骨折采用后路手术治疗,去除内固定后“蛋壳样椎体”与椎体矫正度丢失的关系。 方法:选取正常成年男性志愿者一例,志愿者年龄29岁,通过X线检查脊柱无病变。采用64排螺旋CT机在管电压:120KV,管电流:200mA条件下,对该志愿者的L1-L3椎体进行扫描。设定扫描条件为:扫描层厚为1mm,层间距为1mm。将扫描所得数据以Dicom格式导入交互式医学影像控制系统Mimics14.0,分别对椎体皮质骨及松质骨部分进行三维重建,获得L1-L3椎体模型(该模型皮质骨与松质骨为独立的两部分,但不包含椎间盘及韧带组织)。通过美国参数技术公司(Parametric TechnologyCorporation,PTC公司)的参数化建模软件Creo Parametric2.0的草绘功能,绘制出6.5mm×50mm的椎弓根螺钉,并在Mimics14.0软件的3-matic模块中按照腰椎椎弓根螺钉的置入原则,分别将L1、L3椎体模型与椎弓根螺钉模型进行组装,获得L1、L3两节椎体置有椎弓根螺钉的椎体模型,并在此模块中分别对椎体模型与椎弓根螺钉模型进行网格划分,运行布尔减运算,获得L1、L3去除椎弓根螺钉后的椎体模型。将此模型以STL格式导入到自动化逆向工程软件Geomagic Studio12.0,通过该软件的裁剪、封闭、偏移、膨胀等功能,按照正常椎体的解剖结构分别在L1-L2、L2-L3椎体间添加椎间盘及髓核,并添加前纵韧带、后纵韧带及黄韧带,所有新建模型均在Mimics14.0软件的3-matic模块中进行网格划分。同法,建立L2椎体为“蛋壳样椎体”的一组L1-L3椎体模型,由于空腔的形状多不规则,本研究将空腔定义为球体。该组模型中设定变量为椎体内空腔的大小及位置,分别为:①空腔位于椎体中心,空腔直径分别为椎体高度的1/5,2/5,3/5,4/5,5/5(不突破椎体上、下皮质终板);②空腔直径为椎体高度的3/5,空腔球心分别位于椎体中心、椎体垂直径的上1/3、体垂直径的下1/3、椎体矢状径的前1/3及椎体矢状径的后1/3处。成功建模后,将所建模型中椎体、椎间盘及髓核部分以cdb格式导入到有限元分析软件ANSYS Workbench,前纵韧带、后纵韧带及黄韧带以STL格式导入。导入后,定义前纵韧带厚度为0.8mm,后纵韧带厚度为0.6mm,黄韧带厚度为1.2mm。并在ANASYS Workbench中重新对椎体进行网格划分。椎体模型、椎间盘模型及髓核模型采用六面体网格划分,前纵韧带、后纵韧带及黄韧带模型采用五面体与六面体交互式网格进行划分。正常椎体模型共获得节点431557个,单元248752个。设定两节椎体之间关节突关节的接触为不分离接触(No separation),其他部位的接触方式均定义为绑定接触(Bonded),参照表1(Tab.1)赋予各材料属性。假定L3底面及后部固定,在L1上表面施以260N的轴向压力及10N·m的力矩,模拟椎体的前屈、后伸、左右侧弯运动,观察正常椎体与蛋壳样椎体在上述运动情况下的应力分布特点以及椎体内空腔大小及位置变化对椎体应力分布的影响。 结果:从椎体的Von Mises应力分布图可以看出:①正常腰椎椎体的应力主要集中在椎体终板的后部及近椎弓根处,并向后外侧呈放射状分布;②椎体皮质骨所受应力明显高于松质骨,且在椎体边缘部位皮质骨内表面的应力高于外表面的应力;③当椎体向一侧做屈曲运动时,屈侧及伸侧均出现应力集中现象,并且皮质与松质交界处应力增高明显;④有空腔的椎体在上述四种运动下,椎体内的松质骨所受应力将会增大,并在屈侧及伸侧的皮质松质交界处的应力集中现象将更加明显,同种运动状态下,椎体内空腔越大,椎体内的松质骨所受应力越大,空腔椎体并不会对其邻近椎体的应力造成影响;⑤椎体内空腔使该椎体皮质骨所受应力变小,随着空腔的增大,椎体皮质骨所受应力也将增大,但始终小于无空腔椎体的皮质骨所受应;⑥椎体内空腔大小及位置相同时,不同的运动方向除了会使对应的屈侧及伸侧的皮质松质交界处出现明显的应力集中现象外,无其他明显影响;⑦椎体内空腔大小相同时,当空腔接近椎体上下终板时,邻近终板的松质骨的应力集中现象将更明显。 结论:“蛋壳样椎体”空腔的形成将会使椎体松质骨部分所受的应力变大,皮质骨所受的应力减小;当空腔逐渐增大时,椎体皮质及松质部的应力均随之增大,如果空腔邻近椎体上下终板,邻近终板处的松质骨的应力集中现象将更明显。因此“蛋壳样椎体”是引发内固定取出后椎体矫正度的丢失的危险因素。


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